5.3 Challenges
5.3.5 Positioning the robots to push towards the final destination
6.1. Diseño conceptual
Para la realización del diseño conceptual y el cálculo paramétrico del sistema, se realizó un proceso investigativo y se recopilo información que se tuvo en cuenta en el momento del desarrollo de los diseños.
El diseño se desarrolló teniendo en cuenta 4 subsistemas; El subsistema zona de producción piscícola, el subsistema zona de producción hidropónica, el subsistema estructural y el subsistema zona de filtración.
A continuación, se enumeran los pasos que se siguieron para diseñar y calcular un sistema producción alimentaria circular y sostenible.
6.1.1. Dimensionamiento
Se deben tener en cuenta las dimensiones de acuerdo al espacio donde va a ser ubicado el sistema.
Determinar el espacio que va a tener la zona de producción hidropónica y piscícola, así mismo la altura total del sistema, teniendo en cuenta que el subsistema de filtración se encuentra encima del subsistema piscícola y el hidropónico encima del subsistema de filtración. Después de este dimensionamiento se calculó el volumen total del sistema para los cálculos hidráulicos.
𝑉 = 𝐿𝑥𝐴𝑥𝐻 Calcular el volumen total del sistema
𝑉𝑡 = 𝑉𝑝 + 𝑉ℎ + 𝑉𝑓
Donde:
𝑉𝑝 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑖𝑠𝑐𝑖𝑐𝑜𝑙𝑎 𝑉ℎ = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑝𝑜𝑛𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑓 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
22 6.1.2. Parámetros hidráulicos
Se requiere que el volumen total de agua del sistema sea movido para que pase a través de los filtros y así pueda cumplir con los requerimientos de calidad de agua del sistema productivo.
Cálculo del caudal del sistema por hora 𝑄 = 𝑉𝑡/𝑡
Para que el sistema cumpla con los requerimientos de calidad de agua se hará pasar por el filtro 4 veces por hora.
Calculo del caudal total de bombeo por hora 𝑄𝑡, para cumplir con la calidad del agua
𝑄𝑡 = 4𝑄
Calculo de pérdidas del sistema hidráulico
Calcular la velocidad del fluido por la tubería 𝑣
𝑣 =𝑄 𝐴 𝐴 = 𝜋𝑟2
Con el valor de la velocidad calculamos el numero Reynolds y caracterizamos el comportamiento del fluido en la tubería
𝑅𝑒 =𝜌𝐷ʋ 𝓊 Calcular el factor de Darcy
23 𝑓 = 0,25 (log10( 𝑘 𝐷 ⁄ 3,7 + 5,74 𝑅𝑒0,9))2
Con respecto al valor de Darcy, calculamos las perdidas mayores y menores en la tubería de aspiración e impulsión.
ℎ𝑓 = 𝑓𝐿𝑣 2 𝐷2𝑔 ℎ𝑙 = 𝑘𝑣 2 2𝑔 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = ℎ𝑙 − ℎ𝑓
Criterios para selección de la bomba
Por último, calcular el valor de altura neta que tendrá el sistema y el cual será indispensable para escoger de manera óptima el equipo de bombeo.
𝐻𝑚 = 𝐻𝑎 + ℎ𝑓𝑎𝑠𝑝 + 𝐻𝑖 + ℎ𝑓𝑖𝑚𝑝 Calcular la Carga Neta Positiva en Aspiración NPSH
𝑁𝑃𝑆𝐻 =𝑃𝑎
𝛾 − 𝐻𝑎 − ℎ𝑓 − 𝑃𝑣
𝛾
Obtener el valor para la potencia hidráulica 𝑃ℎ y el valor teórico para el consumo eléctrico
𝑃ℎ = 𝛾 ∗ 𝑄 ∗ ℎ𝑏
𝑃𝑎𝑏 =𝑃ℎ 𝜇
24 6.1.3. Parámetros físicos
Para el cálculo estructural de sistema se tuvo en cuenta:
Cálculo de la columna de agua y el peso total del sistema
Calculo del momento máximo de la estructura del sistema
𝑀𝑚𝑎𝑥 =𝑤 ∗ 𝑙 2 8
Selección de los materiales requeridos para la estructura, así como sus dimensiones.
Se seleccionó ángulo de acero AISI/SAE 1020 Calculo la deformación
𝑦 = − 𝑊 ∗ 𝑙 4∗ 5 385 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼
Calculo del esfuerzo máximo a tensión y compresión
∇=𝑀 ∗ 𝐶 𝐼
Se tuvo en cuenta los factores de diseño en los cálculos
Para el diseño del sistema de producción alimentaria sostenible y circular se utilizó como herramienta el software Solidworks
Simulación en el programa ANSYS, las cargas en la estructura para comparar los valores teóricos obtenidos para la deformación del material de la estructura.
25 Diseño del sistema de filtración
El subsistema debe cumplir con los criterios físicos y químicos, que permitan mantener la calidad del agua adecuada para que los sistemas bióticos (peces, plantas, microorganismos) convivan, reproduzcan y desarrollan conjuntamente de forma correcta.
Se determinaron diferentes etapas con el fin de realizar de forma adecuada el control de productos tóxicos en la misma y mantener la calidad del agua.
Inicialmente una etapa de sedimentación para recolectar la mayor parte de los desechos (de mayor tamaño) del sistema de producción.
Una segunda etapa encargada de la filtración mecánica (desechos que no se sedimentaron) constituida por mallas de diferentes granulometrías.
Por tercero una etapa de filtración biológica, conformada por una serie de materiales con alta porosidad (Cerámica, arcilla, piedra volcánica) con el fin de aportar al crecimiento y reproducción de las bacterias (aeróbicas y anaeróbicas) encargadas del consumo de amoniaco.
Por ultimo una etapa de filtración química, dispuesta para el manejo de productos especiales (medicar poblaciones o extraer materiales tóxicos del agua).
6.2. Construcción
Construir el sistema de producción alimentario sostenible y circular teniendo en cuenta dimensiones teóricas obtenidas en los cálculos realizados, los requerimientos de diseño y los criterios de sostenible y circular.
A continuación, se enumeran los pasos que se siguieron para la construcción de un sistema de producción alimentario sostenible y circular:
6.2.1. Estructura
Para la construcción del subsistema estructural se tuvo en cuenta las dimensiones escogidas en el diseño conceptual, luego con los cálculos estructurales y simulados y validados.
Con base en los diseños se procedió a buscar el mejor precio posible para la compra del acero y para los procesos requeridos posteriormente, a tener en cuenta que el prototipo no se instaló en la universidad pontificia bolivariana como se preveía
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inicialmente, debido al monitoreo diario que se le debía hacer a cada uno de los ecosistemas.
6.2.2. Urnas
Las urnas son los habitáculos donde se van a recibir las poblaciones (peces, plantas y microorganismos) para su desarrollo.
Para la construcción de las urnas se tuvo en cuenta los criterios determinados por el diseño conceptual, así como los cálculos realizados, teniendo en cuenta el volumen y la columna de agua que debía soportar cada urna.
Para ambas urnas se utilizaron láminas de vidrio recocido, pero por la diferencia entre las cargas y costo, se decidió que el espesor de la urna del subsistema de cultivo piscícola tuviese un espesor de 8mm y el espesor de la urna del subsistema de cultivo hidropónico y filtros de 5mm.
La urna de los microorganismos y plantas(120x60x20cm), está conformada por dos secciones, la zona de cultivo hidropónico(70x60x20cm) y la zona del subsistema de filtración(50x60x20cm). En la zona de filtración se hizo necesario la división en cuatro secciones más pequeñas (7x60x20cm) para el correcto funcionamiento del subsistema de filtración.
6.2.3. Equipo de bombeo y filtración
De acuerdo a los cálculos hidráulicos y los criterios de selección de la bomba requeridos para el sistema son de 1900L/h y 1.5m de cabeza. La bomba que se adquirió para el sistema es sumergible de marca Resun y con condiciones de uso 2000L/h y 2m de cabeza.
6.2.4. Instalación hidráulica
Los diseños conceptuales y cálculos realizados restringían el tamaño de las tuberías, para la zona de impulsión de 1” y para la zona de recirculación de 2” con longitudes no superiores a 1 metro, para esto se utilizó el material poli cloruró de vinilo (PVC) a presión de uso sanitario.
6.2.5. Ensamblaje y puesta a punto
Teniendo todos los subsistemas construidos se procedió al ensamblaje del sistema de producción. Necesitando para esto adquirir una lámina de aglomerado de madera (18mm) y de poli estireno expandido (20mm) para dar soporte de las urnas.
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se ubicó la estructura metálica en el lugar que correspondería a su sitio definitivo (debido a su peso final se hace difícil moverlo después), luego, se colocan en las bases primero la lámina de aglomerado y luego la lámina de poli estireno expandido, se procede con la silicona acética a unir las urnas principales, tanto la correspondiente a la zona de cultivo piscícola y la zona de cultivo hidropónica y se dejó que la silicona secara durante aproximadamente 48 horas; seguido, utilizando silicona acética nuevamente se adhiere el marco perimetral y las divisiones que corresponden al filtro ,finalmente, y se deja secar aproximadamente otras 48 horas. Se instala la bomba escogida y se corta la tubería y se instala la tubería de 1” pulgada encargada de la impulsión del agua, y la tubería de escape. Se dejó secar el adhesivo para PVC durante 2 horas y se procedió a llenar parcialmente el sistema con el fin de identificar posibles fugas.
Luego de corroborar la no existencia de fugas en el sistema se procedió a llenar totalmente, agregar el material filtrante y poner a funcionar el sistema de bombeo, con el fin de empezar con el proceso de maduración de la colonia bacteriana y la remoción de posibles agentes externos que pudiesen quedar inmersos en el fluido. Luego de 8 días en correcto funcionamiento del sistema se procede agregar una lámina de poli estireno expandido de 20mm de espesor que nos servirá de sostén para el cultivo hidropónico y se plantan las plántulas que no servirán de población de prueba para la validación del sistema.
Después de 8 días, se agregan los peces que servirán de población de prueba para la validación del sistema.
6.3 Pruebas de funcionamiento
Las pruebas de funcionamiento del sistema se realizaron por un periodo de 2 meses.
En primer lugar, se realizó un monitoreo constante de los parámetros químicos del agua, que para los cultivos hidropónicos y piscícolas son indispensables. Los principales son, pH, gH, kH, nitritos y nitratos.
Se desarrolla un test paramétrico de cada una de las variables químicas del agua que llega por la red de distribución municipal al punto de instalación del sistema, Y a las 120 horas se realizó nuevamente la prueba para conocer las condiciones iniciales del agua.
Se realizó un análisis energético teniendo en cuenta que el consumo eléctrico de la bomba, y el gasto de recursos hídricos y recursos energéticos usados comúnmente para la producción hidropónica y piscícola; para luego compararlos con los sistemas convencionales que funcionan actualmente en el país.
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6.4 Realización de pruebas a calidad del agua
Se monitorea el desarrollo de la calidad de agua desde el primer día del ensamblaje del proyecto, con el fin de poder tener resultados visibles de la eficiencia paramétrica de los sistemas de filtración y con esto confirmar los supuestos bajo los cuales intentamos formar el proyecto, reducir el costo energético que presenta el cambio de agua constante para la reducción paramétrica y el desarrollo paralelo de formas de producción hidropónica que usaran los productos nitrogenados producidos como fertilizantes.
Se toma muestras del agua cada 5 días, y se tabulan y grafican los valores para poder observar de mejor forma su comportamiento, y poder analizar dichos valores con los rangos establecidos como óptimos para dichos procesos productivos; Para lo anterior usamos test paramétricos de la marca API.
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